Детальное изучение недавно обнаруженного бактериального фермента позволило международной группе ученых разработать новый способ получения энергии напрямую из атмосферного воздуха. Крайне необычный фермент способен окислять микроконцентрации молекулярного водорода, и это можно использовать для создания электрического тока. Таким образом, исследование может стать основой для создания нового экологически чистого источника энергии.

Окисление атмосферного молекулярного водорода, проходящее при участии различных типов почвенных бактерий, считается ключевым биогеохимическим процессом. Они окисляют не менее 75% всего водорода, удаляемого из атмосферы. Этот процесс обеспечивает бактерии дополнительным источником энергии в случае ограниченного содержания питательных веществ в почвенной среде, например в антарктических почвах, вулканических кратерах и глубинах океана.

Однако каким образом бактерии способны окислять водород, содержание которого в атмосфере не превосходит 0,00005 объемного процента, остается слабо изученной темой. К тому же неясно, как бактериям удается устранить воздействие каталитического яда — молекулярного кислорода, который должен сильно снижать эффективность подобного процесса. Особенно учитывая, что концентрация этого «яда» на шесть порядков выше, чем концентрация целевых молекул водорода.

Чтобы восполнить пробелы в знаниях, международная группа ученых, возглавляемая командой из Университета Монаша (Австралия), детально исследовала структурную и механистическую основу окисления водорода бактерией Mycobacterium smegmatis. В частности, они выделили фермент Huc, ответственный за саму реакцию окисления водорода и дальнейшей генерации энергии в клетках бактерий.

О результатах работы ученые рассказали в статье, опубликованной в журнале Nature.

Детали строения фермента Huc / © Greening Ch., et al., Nature, 2023

Помимо раскрытия детальной молекулярной структуры белка Huc, авторы исследования создали целые пленки из этого фермента. Затем пленки нанесли на электрод и изучили генерацию электричества в зависимости от количества водорода в окружающем воздухе. Оказалось, Huc способен селективно связывать и окислять водород вплоть до концентраций, предельных для измерения приборами (в 15 раз ниже атмосферных значений).

Эффективность этого связывания не зависела от концентрации кислорода, а значит, Huc — кислород-нечувствительный фермент. Кроме того, Huc оказался крайне стабильным белком. Очищенный фермент можно хранить в течение длительного периода времени, замораживать и нагревать до 80 градусов Цельсия без потери способности генерации энергии.

Несмотря на раннюю стадию исследования, авторы уверены, что открытие Huc, детальное описание его структуры и работы имеют значительный потенциал для создания небольших устройств с воздушным питанием — например, в качестве альтернативы устройствам на солнечной энергии. Причем недостатка в ферментах такого типа не будет: производящие их бактерии широко распространены и могут выращиваться в больших количествах.